扬声器工作原理综述

扬声器工作原理综述扬声器分类总述到今天扬声器已繁衍成一个大家庭，或自立门户、嫡脉相传；或另树一帜、烟火相继。为了方便叙述、研究明确，可将
扬声器按不同方法分类。物以类聚，通过分类能够有条不紊、分门别类、举一反三地了解扬声器的性能。分类也是对扬声器的横向叙述，可以根据分
类来定位扬声器的名称。在叙述扬声器分类以前，有必要说明扬声器与音箱（扬声器箱、扬声器系统）是两个不同的概念，有的人常常将它们混为一
谈。音箱是由一个或者几个扬声器和相应的附件如箱体、号角、分频网络等组成。扬声器是电声换能器之一。电声换能是将电能转换成为声能或将声
能转换为电能的、进行同频率转换的器件。这种转换不是电能和声能的直接转换，而是要借助一个机械系统。由于出发点不同，切入角不同，可以用
不同方法对扬声器分类。目前常用的分类方式有按换能方式分类；按工作原理分类；按辐射方式分类；按用途分类；按振膜形状分类；按组合方式分
类等。按换能方式分类1）能量可逆变换的可逆换能器，其中包括：（1）电动式能唤器；（2）电磁式换能器；（3）磁致失真换能器；
（4）静电式换能器；（5）压电式换能器；（6）电致失真换能器。2)能量不能可逆转换的不可逆换能器，其中包括：（1）阻抗式
换能器；（2）热线式换能器。这些换能器的中介有电磁能、静电能、电消散能三类，如表1-2所列。每一个大类之中还可以分为若干小类，
每一种类别的扬声器都有本身的性能特点、不同外形、不同特性与用途。反过来我们要得到某种性能、某种特点、某种外形扬声器，也可以从分类得
到启示、按图索骥找出所希望的扬声器。按用途分类(1)高保真（Hi-Fi）扬声器。是一种失真小，能真正重放高音的扬声器。虽然它使用
频率很高，但实际上对它的认识却存在很大很大的差异。(2)监听扬声器。用来评价节目音质量的高质量扬声器。其性能要求很高，应具有宽而平
坦的频率响应，极低的谐波失真，良好的指向特性（特别是高频部分），大的功率承受能力，大的动态范围和高可靠性。(3)扩声类扬声器。扩
声类扬声器是用来向较多的人群、较宽的范围和较远的距离真实传送声音信息的扬声器，按具体应用场合可分为：剧场、音乐厅、大会堂用；礼堂、
会议室、宴会厅用；工厂、机关、超市、车站广播用；紧急报警用。按扩声内容可分为：音乐用；话音用；特殊信号用。扩声用扬声器根据不同的使
用目的，对频率重放范围及指向性等指标各有不同要求。但有几点共同要求：清晰度好；能均匀扩声；不易啸叫；工作稳定；可靠性好。(4)乐器
用扬声器。乐器用扬声器是配合电吉他、电子风琴等乐器而用，是为了放大乐器声额外加的放大器和扬声器，要求乐器用扬声器能承受大功率，可靠
性要好。(5)收音机、录音机、电视机用扬声器。(6)警报用扬声器。(7)水下及船舶扬声器。特别突出防水及防盐雾功能。(8)汽车扬声
器要求防尘、防震，能够在小空间获得良好的声性能。(9)电影扬声器。要求适应光学录放音要求，输出阻抗为16Ω~32Ω。还有家庭影院
要求的扬声器。按工作原理分类扬声器工作原理可以分为电动式、电磁式、静电式、压电式、离子式、气动式等。(1)电动式扬声器。在各
种类型的扬声器中，运用最多、最广泛的是电动式扬声器，又称为圈动式扬声器。它是应用电动原理的电声换能器件，结构如图1-10所示，
外形如图1-11所示。根据法拉利定律，当截流导体通过电磁场时，会受到一个点动力，其方向符合弗莱明左右手定则，力与电流、磁场方向垂直
，受到大小与电流、导线长度、磁通密度成正比。当音圈输入交变音频电流时，音圈受到一个交变推动力产生交变运动，带动纸盆震动，反复推动空
气发声。目前使用最广泛的纸盆扬声器、号简扬声器都属于电动式扬声器。我们重点描述的将是这种扬声器，深入讨论它的原理、性能、结构、特点
、部件性能等。2）电磁式扬声器。亦称“舌簧”扬声器其结构如图1-12所示。在永磁体之间有一可动铁心的电磁体，当电磁铁在线圈中没
有电流时，可动铁心受永磁体两磁极相等吸引力的吸引，在中央保持静止；当线圈中有电流通过实，可动铁心被磁化，而成为一条形磁体。随着
电流方向的变化，条形磁体的极性也相应变化，使可动铁心绕支点做旋转运动。可动铁心的震动由悬臂传到振膜（纸盆）推动空气振动。上述结
构称平衡可动铁心型。可动铁心的材料通常是高磁导率的硅钢片，除此之外尚有其他多种结构。这种电磁式扬声器频率窄，失真大，音质欠佳，除
了一些特殊场合，目前很少使用。(3)静电式扬声器。静电式扬声器出现很早，1929年即由凯尔推出。图1-13是1953年发表的静电
扬声器原理图，目前只有为数不多的公司生产静电扬声器，例如英国的Quad、美国的Martin-Logan等。静电扬声器是利用加到电容
极板上的静电而工作的扬声器，就其结构看，因为正负极相向而成电容器状，所以又称为“电容扬声器”。如图1-13所示，有两块厚而硬的
材料作为固定极板，极板上有孔可以透过声音，中间一片极板则利用薄而轻的材料作振膜。将振膜周围固定、拉紧而与固定极保持相当距离，即
使在大振幅下，也不致与固定极相碰。它的这特点，使得静电扬声器不适合做低频扬声器。通常它的有效频率范围是100HZ-20HZ，静
电扬声器的结构并不复杂，并且具有振膜全体受同向位驱动力推动的优点，所以在电动式扬声器之后它就被作为高保真扬声器应用。近年来高分
子化学的发展，可以用极薄的高分子薄膜作振膜。驻极体的研制成功，提出了不需偏压的静电扬声器，即驻极体静电扬声器。如图1-13所示，在
两电极间原有一直流电压称之为偏压。若在两电极间由放大器输出了音频电压，与原来的输出电压相重叠，形成交变的脉动电压，这个脉动电压
产生于两极间隙吸引力的强弱变化，而振膜因此震动而发声。固定电极与振膜的间隔很窄，所以若固定电价为悟空的一张板，则等于其容积极小的
密闭箱，因此不实用。因此固定电极上必须揩油足够透过率的小孔。但是小孔又有小孔的缺点，声音从小孔出来，会有程度不同的衰减和反射，频
率越高越明显。静电场-扬声器又分：单端式和推挽式。单端静电扬声器是用一个固定电极和一个振膜的方式，具体结构如图1---14所示。
在聚酯薄膜上，蒸发一层铝，将它按要求的间隔（0.3mm左右）绷紧在弯曲的开孔金属板固定电极上，这时的偏压约为200v---300v
。图1--13所示的“电容式”扬声器即是一种推挽式静电扬声器。用两片固定电极，像三明治一样夹一片振膜。如果只是一个电极，那振膜将
受直流电压的作用，被拉至一边，如图，1--14（c）所示，中央部分靠近固定电极，成为一段弧状。做成推挽式振膜受到两边固定电极的拉
力，可以保持一种不偏不倚的姿态。而且直流电压还可加大，甚至达到5000v。振膜亦可加大，使频响向低频延伸。静电扬声器的优点是整个
振膜同相振动，振膜轻，失真小，可以重放极为清脆的声音，这是一种很独特的音色，有很好的解析力、细节清楚、声音逼真，有相当一批爱好者。
它的缺点是效率低，需要高压直流电源，容易吸尘，振膜加大失真亦会加大，不适合听摇滚、重金属音乐，价格也相对贵一些。（4）压电扬声器。
利用压电材料的逆压电效应而工作的扬声器称为压电扬声器。电介质（如石英、酒石酸钾钠等晶体）在压力作用下发生极化使两端表面间出现电势
差的现象，称之为“压电效应”。它的逆效应，即置于电场中的电介质会发生弹性形变，称为“逆压电效应”或“电致伸缩”。压电扬声器根据介质
不同，分压电高聚物扬声器、压电晶体扬声器和压电陶瓷扬声器，图1-15是一种压电晶体扬声器。压电扬声器同电动式扬声器相比不需要磁路，
和静电扬声器相比不需要偏压，结构简单，价格便宜，但缺点也不小，失真大而且工作不稳定。（5）离子扬声器。常常听到有人抱怨，电动式扬
声器几十年一贯制，怎么没有重大突破？不像电子学的其他领域，日新月异、突飞猛进。其实变化快慢与否，并非衡量事物好坏的唯一标准。中国人
用筷子上千年了，感觉既方便而且实用。但是确有人在不断实践、不断动脑筋，要搞出一个全新扬声器，离子扬声器就是一个有益的尝试。在一般的
状态下，空气的分子是中性的、不带电。但经过高压放电后就成为带电的粒子，这种现象称游离化。把游离化的空气利用音频电压振动，则产生声波
，这就是离子扬声器的原理，如图1-16（a）所示。为了要离子化，就要加20MHz的高频电压，而在其上重叠音频信号电压。由图1-16
(a)可见，离子扬声器由高频振荡部分和音频信号调制部分放电腔及号筒组成。实际上只要使用一只电视机的行输出管就可以完成振荡和调制的作
用。但是由于采用帘棚极调制，就不可避免地在大输出时会使失真增加。放电腔采用将直径八毫米的石英棒在中心开孔，形成石英管，将一个电极插
入其中，另一个电极如图1-16（b）所以，呈圆筒形套在石英管外面，由于采用无声放电形式，只有中心的针状电极有损耗，可以定期更换中心
电极。离子扬声器与其他扬声器不同之处在于没有振膜，所以瞬态特性和高频特性都很好，但是结构复杂限制了它的广泛应用。(6)火焰扬声器。
火在人类文明发展中起着不可替代的作用。有人突发奇想，是否可调制火焰来发声，果然获得成功，制成火焰扬声器，如图1-17所示当空气和
煤气燃烧的火焰通过电极，电极加有直流电压和高频信号，火焰受音频信号调制而发声。火焰几乎无质量，声音动态极好。但它有致命的缺点，不安
全也不方便，所以实际应用很少。（7）气流调制扬声器，又称气流扬声器。它是利用压缩空气作能源，利用音频电流调制气流发生的扬声器。它
的输出功率可达数千到上万声瓦。效率约为15%。这种扬声器由气室、调制阀门、号筒和磁路组成。压缩空气气流由气室经过阀门时，受外加音频
信号调制，使气流的波动按照外加音频信号而变化，同时被调制的气流经号筒耦合，以提高系统的效率。阀门的调制可分电动式和电磁式两种。气流
扬声器主要用做高强度噪声环境试验的声源或远距离广播和对近海船只预报雾警项目，作用距离可达10km，其频率范围可以达到100Hz～1
0kHz，声压级可达165dB～175dB。气流扬声器结构如图1-18所示。（8）磁极失真扬声器。这是一种特殊的强磁体，它能在磁场
作用下振动发声，如图1-19所示。按振膜形式分类按振膜形式可分为锥形、平板形、球顶形、带式、平膜式、海尔式等，如同1-22所示。
按辐射方式分类扬声器按辐射方式分类可分为直接辐射式扬声器、号简式扬声器、耳机、海尔式扬声器。（1）直接辐射式扬声器。我们通常见到
的纸盆(锥形)扬声器、球顶扬声器都属于直接辐射式扬声器。它的特点是扬声器振膜直接向空气中辐射。直接辐射式扬声器的效率比较低，图1-
20是扬声器辐射方式的示意图。（2）号简式扬声器。亦称间接辐射式扬声器，扬声器振膜经号简辐射声波，通过号简再将声波辐射到空间，多
用做扩声类扬声器。高保真扬声器的中频、高频扬声器也可以选用号简扬声器，号简扬声器的效率较高。（3）耳机。耳机亦可看成是一种扬声器
。扬声器是在大空间形成声扬的重放声音的器件，耳机则是将小型电声换能单元通过耳垫与人耳的耳廓相耦合，将声音直接送到外耳道入口处的重放
声音的器件。因为只要能在耳机与人耳的耳廓形成的小气室内产生声压就可以，所以小的功率-0.1W能得到很大的声压。耳机所采用的电声换能
器件可以使用效率很低但音质较好的静电式、驻极体式、压电高聚物式以及在高分子振膜上印制导电层的全面驱动的电动式即等电动式扬声器，因而
使耳机得到音质优良的重放。耳机是在外耳道入口处加入直达声，所以它不受外界环境、噪声的干扰，从而能很好的听音。另外用扬声器重放声音时
，音质受房间声学特性影响很大，但使用耳机听声时音质只由耳机的性能决定。当扬声器重放相当大音量的声音时，声音会泄漏到室外形成噪声，因
而重放音量受到限制，但耳机的声音不会泄漏到室外，因此重放音量可以自由调节。耳机相对扬声器要便宜。具有以上优点的耳机也还有下述缺点：
用耳机在左右耳分别听取立体声左右声道重放声时，称为双耳重放。这时重放的声像容易出现在头后部，而不像用扬声器重放立体声那样可以得到自
然的声像定位.新型的高级耳机虽然已经相当轻型化，但长期佩带也会由于它的质量和压迫感而产生疲倦。以上三种分类，不仅是外型的，实际上还
有深刻的物理意义。三种不同分类决定了三种不同性能、不同特点、不同的设计方法。在本书以后章节会对有关内容做说明。表1-3列出了辐射方
式扬声器及其控制方式。（4）海尔式扬声器。是1973年美国海尔博士研究和提出的第四种辐射方式，如图1-21所示。它是在两张塑料薄
膜之间，上下往复地印刷铝薄膜导体。有如手风琴式的曲折皱褶，放置在与振膜垂直的强磁场中，不使振膜全体同相的作前后振动，而是如图1-2
1（b）和（c）所示，作与声波辐射方向垂直的横方向振动，并与相邻导体作反方向的振动对一个皱褶的振动进行研究，就可以知道在最初的半
周进入皱褶之间的空气按菲格（Fresnel，又译菲涅耳）原理被放出，下半周皱褶变宽，使空气进入其中，这就像将乒乓球放在手中按动时球就不会飞到远处，但将球夹在手指中间，上下挤动使之弹出，就可以飞得很远一样。与这一原理相同，力阻抗低的（轻的）空气，在振膜处被前后推动，按菲格原理，能被很好的吹跑。振膜小时可以有很高的效率，但对低音频重放困难，低频下限约为100Hz。按组合方式分类按组合功能可分为：低频扬声器、中频扬声器、高频扬声器等。按组合频带可分为：全频带扬声器、两分频扬声器、三分频扬声器等。全频扬声器又可分为：单振膜（图1-23（a））扬声器、双纸盆（图1-23（b））扬声器、同轴扬声器（图1-23（c）、偏轴扬声器（图1-23（d））。在这里我们对扬声器领域做了一次粗略的巡礼，进行了一次点将，如同会见一个人拿到一张名片，要真正深入地了解还得有一个过程。